计算机控制课程设计――大纯时延一阶惯性环节温度控制系统.

目录
一课程设计内容任务 (3)
二对课设任务的解读 (3)
三系统结构模型框图 (3)
四各部分程序流程图 (4)
五数字控制器设计 (5)
六系统仿真 (6)
七抗干扰性分析 (11)
八硬件设计 (13)
九系统设计硬件元素选型 (14)
十心得体会.............................................................................. 16 十一参考文献 (16)
附硬件设计图
一、课程设计内容任务
1、针对一个具有大纯时延时间的一阶惯性环节 (G(s=K*e-θs/(Ts+1温度控制系统和给定的系统性能指标, (工程要求相角裕度为 30~60,幅值裕度 >6dB;要求测量范围 -50℃~ 200℃,测量精度 0.5%,分辨率 0.2℃;
2、书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图,并转化为系统结构图;
3、选择一种控制算法并借助软件工程知识编写程序流程图;
4、用 MATLAB 和 SIMULINK 进行仿真分析和验证;
K=10*log(C*C-sqrt(C,rand(‘state’,C,T=rand(1, θ=0或 T/2, C 为学号的后 3位数,如:C=325, K=115.7, T=0.9824, θ=0或 0.4912;
5、进行可靠性和抗干扰性的分析;
6、书写设计体会和心得。

二、对课设任务的理解和分析
1、该任务是针对一个特定的控制对象进行可靠性和稳定性控制,选取实际生活中常见的温度为控制对象;
2、该任务只需要一个控制对象,进行可靠性和抗干扰性分析时设定随机干扰量, 观察仿真图形和性能,故可以选取简单回路控制系统模型进行设计;
3、硬件设计过程采取分步设计,由局部到整体,主要有温度检测模块、输入通道部分、输出通道部分、接口扩展部分、晶振和复位电路模块、调压触发电路、数
码管显示等; 4、取θ= T/2, 大纯时延系统的控制算法有多种,根据其特定性能,本设
计在 PID 算法和达林算法之间权衡之后做出选择,最终采用达林控制算法来实现
系统控制,取期望闭环传递函数 H(s,求解出数字控制器 D(z及其差分方程;
5、编写程序流程图,采取正确的思路和方法,包括主程序流程图、 8155初始化、滤波、键盘输入、达林算法、延时等;
6、仿真分析和验证过程采用 MATLAB 和 SIMULINK 实现,主要针对仿真性能调节系统参数, 并结合典型输入信号的随机干扰进行可靠性、稳定性和抗干扰性分析。

三、系统结构模型
本系统采用简单回路计算机控制系统,其输入为温度设定值,输出为调节控制信号,整个系统由以下图所示各部分组成。

1、如下图所示为简单回路计算机控制系统框图, 由输入设定值与系统输出值的偏差传递到数字控制器,并产生控制信号,针对本设计所假定的特定控制对象温度进行循环重复式的校正和调节。

2、如下图所示为本设计计算机控制系统的硬件结构框图(简单回路计算机控制系统的结构图 ,主要由模拟输入通道和模拟输出通道组成,通过该回路对控制对象不断的调整,指导满足系统要求及各项性能指标。

四、各部分程序流程图
由于要使用计算机作为控制设备, 要对温控对象实现较好的控制, 使其满足较好的性能指标,故本设计采取程序主要包括如下部分:
主程序
T1中断程序
采样中断程序
达林算法程序等
各程序流程如下图所示: 1、主程序
主程序主要是对电路进行初始化,并且开相关的中断,使到设备对温度进行采样、控
3、达林算法控制程序计算数字控制器的控制信号, 每次读取 e (k ,然后计算出参数, 输出控制序列 u (k ,
然后变换 e (k -1 、 e (k -2 , u (k -1 , u (k -2 , 为下一次计算作准备。

达林算法程序流程图:
4、采样程序
用于对温度进行采样, 对采样温度值的处理用了连续 N 次, 再取平均的方法得到最后的平均采样温度值。

在开始时, 对采样设备进行初始化, 设定采样次数以及计算次数, 然后结束后, 计算出平均值,进行 A/D转换,并输送给处理器。

采样程序流程图
五、数字控制器设计(取θ= T/2
本人学号 200xxxxx 232,所以 C =232
根据设计要求,用 matlab 计算出系统参数,确定系统的传递函数。

对于系统 s T Ke s G s
t ⋅+=⋅-1 (0
式中:T ——时间常数 K ——调节系统总的放大倍数
t ——系统的纯滞后时间,且 Ts N t ⋅=, Ts 为采样周期。

计算用程序:
>> k=10*log(232*232-sqrt(232
k =108.9319
>> rand('state',232;
>> t1=rand(1
t1 =0.0090
θ=t1/2=0.0045
代入数据,系统的传递函数为:
1
0090. 09319. 108 (0045. 0+=-s e s G s
其波特图为:
由图可知,其幅值裕度与相角裕度均不符合要求,系统性能差,需要校正。

按照设计要求, 运用计算机作为控制装置对系统进行校正。

当对象的纯延迟时间θ与对象惯性时间常数 Tm 之比大于等于 0.5时,采用常规PID 算法难于获得良好的系统性性能。

达林算法的目标是设计一个合适的数字控制器 , 使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有滞后的一阶惯性环节, 且它得纯时延时间与被控对象时延相同。

跟史密斯对比起来,达林算法比较适合的被控对象多为工业中的热工或化工过程中, 被控对象具有纯滞后环节且容易引起系统超调和持续的振荡。

综合考虑之后, 决定采用达林算法来进行数字控制器的设计。

由达林算法知: 被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节:01( 1
s
ke G s s θτ-=+ , 假设其期望的闭环传递函数为:( 1
s
e H s s θτ-=+,其中s LT θ=, s T 为采样周期, L 为整数。

由此可得到:1
11 1(011]( ([ (-+---==z Kz s G s G Z z G L h σσ, ]
1(1[1( 1(1( ( 1(1111+---------=L z z K z z D σσσσσ, 其中:111(~ 23
ττ=; 1//1; s T Ts e e ττσσ--==。

确定参数值过程 : K=k =108.9319
τ1 =0.0090
θ=t1/2=0.0045
τ=(1/2~1/3 τ1=0.002
Ts=θ/L=0.0090/2=0.00225
σ=e -TS/t =e -1.125 =0.3247
σ1=e -TS/t1=e -0.25 =0.7788
1
3
7788. 0110. 24 (---=z Z z G
3
11
6753. 03247. 010218. 00280. 0 (------=z z z z D
所以由 ( D z 表达式可以求出其差分方程为: ( ( (1 (1 (1 (2 u k Ae k Be k Cu k C u k =--+-+--;
其中:
11(1
A k σσ-=-=0.0280 1
B A σ==0.0218
C σ==0.3247
1- C=0.6753
由此求得本系统其差分方程为:
u(k= 0.0280e(k -0.0218e (k -1+0.3247u (k -1 +0.6753u(k -2
六、系统仿真 1.2 0.81036
1 对设计后连续系统 313
6753. 03247. 016753. 0 (* ( (-----==z
z z z D z G z D k 进行分析
由上图可知,幅值裕度为 9.44db (大于 6db 的要求 ,相角裕度为 68度(大于 60度的要求 ,故设计符合规定。

2离散系统仿真
系统结构图如下:
通过示波器观察波形系统的波形
稳态误差 e (t 波形: 数字调节器波形
系统输出 y (t 波形
分析:系统到一定时间后稳态误差为 0,数字调节器输出的控制信号稳定,系统输出与输入
相匹配,由此可得系统性能良好。

七、抗干扰性分析
1、当干扰信号为介跃信号(此时输入为 0,干扰信号大小为 10
稳态误差波形: 系统输出波形
分析:由图可得, 当加一定的介跃干扰信号后,系统受到介跃信号的干扰, 但到一定的时间
后, 由于系统具有抗干扰的功能, 会自动消除干扰所带来的影响, 恢复到回来的状态, 如图所示,系统稳态误差到一定时间后为 0 ,系统输出跟输入信号相匹配,故系统对于为介跃信号的干扰有较好的抗干扰作用。

2、干扰信号为脉冲信号(输入信号为 0 干扰信号波形稳态误差波形
系统输出波形
分析:由图可得, 当加一定的介跃干扰信号后,系统受到脉冲信号的干扰, 但到一定的时间
后, 由于系统具有抗干扰的功能, 会自动消除干扰所带来的影响, 恢复到回来的状态, 如图所示,系统稳态误差到一定时间后为 0 ,系统输出跟输入信号相匹配,故系统对于为脉冲信号的干扰有较好的抗干扰作用。

3 系统现实情况模拟仿真:
保持系统不变,分别在两个时段不同位置上加两个介跃信号,如下图所示:
1、在输入处,加入一个 r (t -10=100的介跃信号(即当 t>=10s 时, r (t =100,
当 t<10s时, r (t =0 ,用来模拟在现实情况下,某一随机时刻,需要在控制过程中改变系统温度时,所需要的改变输入信号。

2、在控制过程处,加入一个 r (t -20=10的介跃信号(即当 t>=20s 时, r (t =10;
当 t<20s时, r (t =0 ,用来模拟在现实情况下,某一随机时刻,有干扰信号参入的系统中。

下图将仿真结果列出:
稳态误差 e (t 波形数字调节器输出波形
系统输出波形
分析:当系统输入突加给定时, 稳态误差发生变化,数字调节器根据变化产生控制信号,使
系统输出跟随输入信号的变化, 达到稳定状态。

当又到系统受到干扰时, 数字调节器再次根据稳态误差产生控制信号, 消除干扰的影响, 使到系统回复到稳定状态。

说明系统具有良好的调节性能以及抗干扰性能。

八、硬件设计
1、复位和晶振电路:其中 VCC 为 5V ,晶振频率为
12MHz
D1的作用有两个:作用一是将复位输入的最高电压钳在 Vcc+0.5V 左右,另一作用是系统断电时,将 R0电阻短路,让 C3快速放电,让下一次来电时,能产生有效的复位。

当 80C52在工作时,按下 S0开关时,复位脚变成低电平,触发 80C52芯片复位。

2、单片机接口扩展电路:
通过 80C52的 P20、 P21、 P22产生片选信号,通过 74LS138的译码电路进行译码,分别对 3片 8155进行片选。

3、模拟输入通道:
信号输入过程为: 温度检测滤波整形放大转换 8155CPU
通过温度检测电路将温度信号转换成电流、电压信号,再通过滤波整形及放大电路,输
入到 A/D转换器中,通过 8155的 PC 口控制 A/D转换器的选通、采样、转换、读入,在同个采样周期重复进行上述过程, 并取平均值作为该采样周期的值, 再与给定信号比较, 通过 CPU 的计算得出控制值,再通过模出通道对对象进行控制。

1 温度检测及整形滤波放大电路:
如上图中所示,检测部分采用桥式压差检测电路 ,经过低通有源滤波放大电路 ,得到 ADC0809的模拟输入电压(0-5V 之间信号 , 并将信号传送给 AD0809IN0口。

2 其余部分连接电路:
如上图中所示,左侧为 8155芯片,右侧为 ADC0809,温度检测及滤波整形放大电路得到的模拟输入信号由 IN-0输入 ADC0809,再通过 8155传送给 80C52.
4、模拟输出通道:
输出信号传递过程:
并行接口 8155D/A转换加热电压调节线路加热电压
从 CPU 输出计算好的数字信号的控制量到模出通道的 8155的 A 口连接的
D/A, 再由 C 口控制 D/A的读入、转换, D/A输出的控制两用作同步脉冲线路的给定量,通过单相交流可控硅电压调压线路调节加热电压线路。

再通过检测电路把调节结果反馈回去,周而复始,最终使控制对象温度稳定控制在 150℃。

1 DAC0832输出信号电路:
如上图中所示, DAC0832输出为双极性输出电路, Uout 作为调压电路晶闸管的触发电路的给定电压。

2 加热电压电路:
如上图所示:主电路采用两只单向晶闸管反并联的形式,在交流电压的正半周期使其中一只晶闸管导通,在负半周期使另一只晶闸管导通。

开关为驱动电路部分的总开关,左边的灯用于指示开关是否接通,右边的灯用于指示负载上是不是有电压,控制电路通过控制反并联晶闸管的通断来控制加在负载上的电压大小。

九、系统设计硬件元素选型 1、主控制芯片 80C52：80C52 是 INTEL 公司MCS-51 系列单片机中基本的产品，采用 INTEL 主控制芯片 80C52：公司可靠的CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 MCS-51 的 HCMOS 产品。

它结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特征，它基于标准的 MCS-51 单片机体系结构和指令系统，属于 80C51 增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

80C52 内置 8 位中央处理单元、 256 字节内部数据存储器 RAM、8k 片内程序存储器（ROM）32 个双向输入/输出(I/O口、 3 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。

此外，80C52 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。

在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存 RAM 数据，时钟振荡
停止，同时停止芯片内其它功能。

2、译码片选芯片 74LS138：它是一个 3-8 译码器，3-8 译码器是通过 3 条线来达到控制 8 译码片选芯片 74LS138：条线的状态，就是通过 3 条控制线不同的高低电平组合, 一共可以组合出 8 种状态，即 2 的 3 次方。

在电路中，主要起到扩展 IO 资源的作用。

3、接口扩展芯片 8155：Intel 8155 芯片内包含有 256 个字节 RAM，2 个 8 位、1 个 6 位的接口扩展芯片 8155：可编程并行 I/O 口和 1 个 14 位定时器/计数器。

8155 可直接与 MCS－51 单片机连接不需要增加任何硬件逻辑。

由于 8155 既有 RAM 又具有 I/O 口，因而是 MCS－51 单片机系统中最常用的外围接口芯片之一,8155 内部结构包括两个 8 位并行输入/输出端口，一个 6 位并行输入/输出端口，256 个字节的静态随机存取存储器RAM，一个地址锁存器，一个 14 位的定时器/计数器以及控制逻辑电路，各部件和存储器地址的选择由 IO//M 信号决定。

4、ADC0809：ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A／D 转换器，可以和微机直接接口，由八 ADC0809： ADC0809 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256 电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器 SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。

5、DAC0832：DAC0832 由美国国民半导体公司（National Semiconductor Corporation）研 DAC0832： DAC0832 制的 8 位芯片， DAC0832 由“8 位输入寄存器”“8 位 DAC 寄存器”和“8 位 DAC 转换电、路”三部分电路组成。

6、铂电阻温度传感器 Pt100：铂电阻温度传感器
PT100，电阻温度系数为 3.9×10－3／℃，铂电阻温度传感器 Pt100： 0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。

铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，对于本设计要检测的-50℃～200℃刚好合适，而且其本身广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。

7、其他例如导线、电阻、电感、电容、二极管、三极管等元器件。

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十、心得体会课程设计之前，通过以前各门专业课程的学习，我已经掌握了计算机控制、自动控制、单片机、检测技术、电力电子技术等知识，对控制系统设计有了一定的初步概念和想法。

虽然在实际生产中不同的控制对象，其系统的设计要求是完全不同的，可是设计的基本原则和思路基本一致，只要能较好地掌握它，就能应对大多数的控制对象。

本次设计的核心部分是建模和控制算法确
定。

在实际生活中计算机控制系统控制效果的优劣，很重要的问题之一是由算法的优劣决定的。

算法建立在控制对象的数学模型上，描述各控制量与各输出量之间的数学关系。

依照设计要求，设计过程通过比较后综合考虑，决定采用达林算法，因为系统要求原则上无超调，而达林算法的设计对象就是类似我们的控制对象数学模型的带时延的一阶惯性环节，而设计目标就是无超调或者超调很小。

接着计算系统参数，再用软件仿真，经检查无误后就试运行。

最后再通过实践进一步检测是否能够符合设计要求，若达不到要求，继续修改后，再调试，最终得出满意的设计方案。

对于软件而言，这次设计运用了 matlab 和 simulink 作为主要的操作软件，学会了用这些软件对系统进行仿真与分析。

通过这次课程设计，我在理论知识，实践能力方面都有质的提高。

更加了解了计算机控制系统的设计方法和步骤，加深了对课本上知识的理解和运用。

且明白了做项目、搞研究时所应拥有的心态，每一步都应该塌塌实实，一步一个脚印的完成自己的任务。

在设计过程中，与同学交流过程中学到了很多东西。

总体来说，这是一次很好的实践机会，使我在理论知识，实践能力方面都有质的提高。

十一、参考文献十一、参考文献《计算机控制技术》温钢云黄道平编著《自动检测技术与装置》张宏建蒙建波主编《MATLAB/Simulink 与控制系统仿真》王正林王胜开编著《单片机原理及其接口技术》胡汉才编著华南理工大学出版社化学工业出版社电子工业出版社清华大学出版社 - 17 -。